半导体物理与材料

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1、半导导体物理与与材料、器件概论概论西安交大理学院王红理主要内内容第一章第一章 概论概论第二章第二章 材料特性和基本的材料特性和基本的PNPN结关系结关系第三章第三章 PNPN结二极管结二极管第四章第四章 双极晶体管双极晶体管第五章第五章 结型、金属结型、金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 作业占20%，考试占80%主要参参考书书刘恩科：半导体物理学刘恩科：半导体物理学叶良修：半导体物理学叶良修：半导体物理学曾树荣：半导体器件与物理基础曾树荣：半导体器件与物理基础施敏：施敏： 半导体器件与物理半导体器件与物理忻贤忻贤堃堃：半导体物理与器件：半导体物理与器件第一章 概

2、论概论 半导体物理半导体物理与与半导体物理与器件半导体物理与器件是半导体物理、微电子是半导体物理、微电子专业最重要的两门课。专业最重要的两门课。 本课程需要本课程需要固体物理固体物理、半导体物理半导体物理、量子力学量子力学的基的基础知识。础知识。 人类已经进入人类已经进入2121世纪，这是社会高度信息化的世纪。计算机网络世纪，这是社会高度信息化的世纪。计算机网络和通信技术的进步是信息化发展的标志和通信技术的进步是信息化发展的标志. .今天，无论何时何地，人们都今天，无论何时何地，人们都可以高速交换信息，使区域性很强的政治、经济、文化国际化。可以高速交换信息，使区域性很强的政治、经济、文化国际化

3、。 但是，如果没有以晶体管为基础的但是，如果没有以晶体管为基础的微电子学微电子学的发展就谈不上个人的发展就谈不上个人计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的光电子光电子学学的发展就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技术。的发展就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技术。本课程介绍半导体物理、微电子学和光电子学领域本课程介绍半导体物理、微电子学和光电子学领域主要半导体材料和主要半导体材料和器件器件的基本原理。的基本原理。1.1 1.1 半半导导体材料体材料与与器件的器件的发发展展历历史史微电子学微电子学的主

4、体是在以晶体管、二极管为单元的各种半导体器件的基的主体是在以晶体管、二极管为单元的各种半导体器件的基础上构成的集成电路。础上构成的集成电路。光电子学光电子学是在半导体和电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门高是在半导体和电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门高技术学科，主体是半导体光电子学。技术学科，主体是半导体光电子学。 半导体器件和材料的理论的发展主要依赖于量子力学的进展。从半导体器件和材料的理论的发展主要依赖于量子力学的进展。从PlanPlanckck的黑体辐射定律开始的的黑体辐射定律开始的19001900年，年，19061906年年EinsteinEinstein的光电效应理论的光电效

5、应理论（使普朗克常数可以测量），紧接着是（使普朗克常数可以测量），紧接着是Rutherford Rutherford 和和BohrBohr的原子理的原子理论，论，19241924年年De Broglie De Broglie 的波粒二相性概念，的波粒二相性概念，19261926年的年的SchrdingerSchrdinger的波动方程，的波动方程，19271927年年Heisenburg Heisenburg 的不确定原则，的不确定原则，PauliPauli不相容原理，不相容原理，当然还有当然还有FermiFermi和和DiracDirac的工作。的工作。 量子力学、固体物理就是解决能带、量子

6、力学、固体物理就是解决能带、能级的问题。能级的问题。1920年 1940年 1960年 1980年半半导导体体激光器激光器发发明明2010年第一个点接触式的第一个点接触式的G Ge e晶体管晶体管 (transistor)(transistor)获获19561956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 半导体材料的电导率介于金属与绝缘体之间，并半导体材料的电导率介于金属与绝缘体之间，并且在很宽的范围内可以变化，且在很宽的范围内可以变化，并且具有负的电阻并且具有负的电阻温度系数，温度系数，这正是半导体材料的优点，是广泛应这正是半导体材料的优点，是广泛应用的基础。用的基础。 1.2 1.2 什什么么是半是

7、半导导体？体？从导电性划分从导电性划分固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体6108102106101010141018102210210:/S cm金属金属半导体半导体绝缘体绝缘体各种材料的电导率各种材料的电导率锗和铜的电导率随温度的变化锗和铜的电导率随温度的变化100 300 1000 T(K) : /S cm 电导率随掺杂的变化电导率随掺杂的变化： 纯硅的电导率很低，室温时的载流子浓度约纯硅的电导率很低，室温时的载流子浓度约为为 ，电导率约为，电导率约为 。若在这种纯。若在这种纯硅中掺入杂质磷，并使磷原子在纯硅中的浓度达到硅中掺入杂质磷，

8、并使磷原子在纯硅中的浓度达到 时，硅在室下的电导率可相应增加到时，硅在室下的电导率可相应增加到 左右，即左右，即比纯硅的电导率增加比纯硅的电导率增加5 5个数量级。硅的原子数密度个数量级。硅的原子数密度为为 ，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可以正确控制，因此利用这一特点入半导体的杂质总量可以正确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半导体的电导率，甚至改变电传可在很宽的范围内改变半导体的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导变为正载

9、流子传导导的类型，使负载流子传导变为正载流子传导( (或相反或相反) )。 1032 10 cm310/S cm1632 10 cm210/S cm2235 10 cm1 1、 变化范围很宽；变化范围很宽；2 2、 随温度上升明显；随温度上升明显；3 3、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载流子浓度剧增），电导率急剧增加）；流子浓度剧增），电导率急剧增加）；4 4、 波长合适的光照射，光激发会使载流子浓波长合适的光照射，光激发会使载流子浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的光度和电导率增加（这实际上就是半导体的光电导现象）。电导现象）。 半导体电导率的特征

10、：半导体电导率的特征： 除了半导体的电导率具有以上几方面特征之除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外，许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差外，许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的电效应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pnpn结、金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接结、金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触触( (即异质结即异质结) )等由界面所表现出来的结特性以及电等由界面所表现出来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要场对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特性。特性。 这些特性是一些半导体器件较以工作的

11、基础，这些特性是一些半导体器件较以工作的基础，也是本课程介绍的重点之一。也是本课程介绍的重点之一。 半导体材料在元素周期表中位于周期表半导体材料在元素周期表中位于周期表（Periodic Table）第）第族（族（ column or family） 及其邻近的族。及其邻近的族。半导体材料的种类：半导体材料的种类：按照组成分类按照组成分类无机半导体无机半导体按结构分类按结构分类按功能分类按功能分类按照研究及应用时代分类按照研究及应用时代分类目前主要材料仍然是目前主要材料仍然是Si,占占80%。 元素半导体元素半导体族：族：Zn,Cd Zn,Cd 族：族：B,Al,Ga,In B,Al,Ga,I